不同颗粒密度人造草坪对足球运动员运动表现及损伤的影响

杨 辰，曲 峰，万祥林

1 前言

足球是世界第一大体育运动，随着场地需求的增大，天然草坪由于经费投入大、维护难、受季节影响大等缺点逐渐被人造草坪所取代。国际足联结合实验室及场地测试，提出了《人造草坪足球场的评估标准》［1］，对产品与场地的特性、运动员／草坪交互作用、球／草坪交互作用等方面进行鉴定。我国也于2006年发布了《人工材料体育场地使用要求及检验方法——第3部分:足球场地人造草面层》的国家标准［2］。鞋与场地交互面产生的牵引力是国内外人造草坪评估中重要的检测方面，也被认为是影响运动员动作形式、运动表现和损伤的重要因素［7］。草坪的类型、纤维长度、密度，填充物的类型、大小、深度和密度，以及环境的温、湿度都可能会造成交互面牵引力效果的改变［18］。

国外已有研究探讨了不同足球鞋和草坪对足球运动员动作表现和损伤风险的影响。Krahenbuhl［11］要求受试者在天然和人造草坪上穿着不同类型的鞋来完成跑步测试，以此得到不同交互面上的跑步用时。Wannop［22］等人通过个人最大跑速和支撑时间来衡量运动表现，探讨鞋与表面交互作用的改变对运动表现的影响。也有研究认为，增加牵引力可以使运动员有更大的侧切角度，从而加强运动表现［8］。Nigg［16］认为在足球项目中有近2／3的损伤同鞋与表面的交互作用有关，而此类研究多侧重于流行病学方向［6，12］。Livesay［13］等人针对5种草坪类型和2种鞋相互组合形成的不同交互面进行了机械测试，并利用扭矩峰值和转动刚度来衡量不同交互面之间的差异，认为高的转动刚度可能是造成损伤的重要因素。

现有研究为了解足球鞋和运动表面对运动员的影响提供了大量有用信息，但很少结合机械测试和生物力学数据对这种影响做出定量的分析与解释，同时由于交互作用涉及到鞋底结构与运动表面两个因素，而现阶段的研究多集中于鞋底的设计，往往忽略了场地表面的重要性。本研究的目的是探讨人工草坪中不同颗粒填充密度对球鞋与草坪交互面牵引力的影响，评价运动员在不同鞋与草坪交互面牵引力条件下的运动表现，并进一步分析交互面牵引力影响运动员动作形式和损伤风险的可能原因。

2 研究方法

2.1 受试者

本研究受试者为13名男性足球运动员，平均年龄24.1±1.2岁，身高175.1±3.2cm，体重71.0±6.3kg。受试者运动等级为国家二级及以上，鞋码为欧码42号，实验前48h未从事剧烈运动，下肢及足部半年内无损伤。所有受试者优势脚（踢球脚）均为右脚。

2.2 实验用人造草坪

实验用人造草坪草束纤维高50mm，草坪填充0.5～2mm大小的橡胶颗粒。草坪整体与测力台面积大小相等（0.4m×0.6m）。

在实验过程中，人造草坪填充橡胶颗粒的重量分别为0kg、0.5kg及1.5kg，铺匀压实后制造3种不同颗粒密度的人造草坪表面（图1），分别命名为表面e、表面h及表面f。本研究表面e选取0kg是因为在国内、外草坪的实验室检测标准中都选用无填充的草坪进行测试。目前，虽无明确的标准界定人造草坪中合适的颗粒密度，但制造商一般建议将橡胶颗粒的铺撒控制在5～8kg／m2，因此，本研究选取了0.5kg和1.5kg填充，使填充密度分别为2.1 kg／m2和6.3kg／m2，以模拟颗粒密度低于此范围和在此范围内的2种场地表面。

2.3 数据采集与处理

2.3.1 牵引力测试

通过鞋与表面牵引力测试仪（S2T2，USA，1000Hz）采集牵引力数据。测试准备阶段将一块未填充颗粒的人造草坪粘贴于地面，保证草坪与地面无滑动，将鞋固定在测试仪的鞋楦中，鞋身方向与草坪长边方向平行（图2a），鞋与鞋楦等附属配件的重量为4.748kg，垂直方向外加30kg的重量，牵引力测试仪通过电极以0.3m／s的速度匀速拖拽，记录拖拽过程中相对稳定的牵引力数值，重复进行5次。再将鞋身方向调整为与草坪短边方向平行（图2b），重复上述测试。之后分别在草坪中填充0.5kg和1.5kg橡胶颗粒重复以上测试流程。

图1 本研究3种不同填充密度的人造草坪示意图Figure 1.The Artificial Turf with Three Different Particle Densities

图2 本研究牵引力测试示意图Figure 2.Traction Test

计算得到相同填充密度下横向与纵向共10次测试牵引力数值的平均值和标准差，以此定量鞋与不同填充密度草坪的交互面牵引力。

2.3.2 生物力学测试

应用8镜头红外高速运动捕捉系统（Motion Analysis Raptor-4，USA，200Hz）和三维测力系统（Kistler 9281CA，Switzerland，1000Hz）对运动员完成侧切和起动动作的下肢生物力学数据进行测量。两个间隔3m的便携式测速装置放置于测力台同一侧，用以控制和监测运动员动作速度，以确保受试者全力完成动作。人造草坪粘贴于三维测力台上，保证无相对滑动。

受试者在进行充分的热身后，按照Helen Hayes方案在身上粘贴29个反光标志点（头顶，头前／后，左／右肩峰，左／右肱骨外上髁，左／右尺骨茎突与桡骨茎突连线中点，右侧肩胛骨，左／右髂前上棘，第四、五腰椎棘突中点，左／右大腿前侧，左／右股骨外侧髁，左／右股骨内侧髁，左／右胫骨粗隆，左／右腓骨外踝，左／右胫骨内踝，左／右足尖，左／右足跟）。

正式测试中受试者分别在无填充、0.5kg和1.5kg填充下的人造草坪上按要求完成45°侧切和直线起动两个动作。45°侧切要求受试者通过测力台速度保持在4±0.3 m／s，并以右腿支撑，向原运动方向偏左45°的方向上做侧切动作（图3a）。直线起动要求受试者双脚分别踩在两块测力台上，由自己熟悉的静立准备姿势尽全力向前直线加速起动（图3b）。实验过程中要求每名受试者每个动作完成3次有效测试。计算得到每名受试者3次测试的平均数据进行统计分析。

图3 本研究测试动作示意图Figure 3.Testing Movement

所有标志点的三维坐标采用Butterworth低通滤波法进行平滑，截断频率为10Hz。根据标志点坐标建立骨盆坐标系、大腿坐标系、小腿坐标系、足坐标系，其中，髋关节中心根据Bell［4］的研究计算，膝关节转动中心为股骨内、外侧髁中点，踝关节转动中心为内、外踝中点。采用欧拉角的方法计算膝关节的三维角度（屈、伸角度正值为屈，负值为伸；内收、外展角度正值为内收，负值为外展；内旋、外旋角度正值为外旋，负值为内旋）。采用逆动力学方法计算膝关节的三维净力矩（屈、伸力矩正值为屈，负值为伸；内收、外展力矩正值为内收，负值为外展；内旋、外旋力矩正值为外旋，负值为内旋）。地面反作用力加载率定义为首次地面反作用力峰值与达到该峰值所用时间的比值。为尽量消除受试者个体差异的影响，地面反作用力相对受试者体重进行标准化，单位为BW；关节净力矩相对受试者体重和身高的乘积进行标准化，单位为BW·BH。在45°侧切动作中，右脚着地到膝关节最大屈曲为制动阶段，膝关节最大屈曲到右脚离地为蹬伸阶段。直线起动动作的开始时刻为摆动脚离地，结束时刻为摆动脚着地。

2.4 数据分析

采用单因素重复测量方差分析确定不同填充密度草坪对牵引力和各生物力学指标的影响，后续检验采用LSD法。显著性水平定为一类误差概率不大于0.05，所有统计分析应用SPSS 17.0软件完成。

3 结果

3.1 牵引力测试结果

3种不同填充密度下鞋与草坪交互面牵引力存在显著差异（表1，P＜0.001），表面e的牵引力＜表面h＜表面f（均为P＜0.001），因此，定性表面e，表面h及表面f分别为低牵引力、中牵引力和高牵引力草坪。

表1 本研究3种不同填充密度下草坪信息及牵引力数值一览表Table 1 The Turf Informations and Traction Values with Three Different Packing Densities（n＝10）

3.2 生物力学测试结果

3.2.1 侧切动作结果

不同牵引力草坪对侧切制动阶段重心加速度有显著影响（P＜0.001）。高牵引力草坪对重心的制动效果（-7.04±2.54m／s2）大于低牵引力草坪（-5.97±1.84 m／s2，P＝0.003）和中牵引力草坪（-5.93±1.84m／s2，P＝0.001）。受试者在高牵引力草坪上完成侧切动作的制动阶段所获得的水平地面反作用力峰值显著大于低牵引力草坪（P＝0.004）和中牵引力草坪（P＝0.001）；高牵引力草坪产生的垂直地面反作用力峰值显著大于中牵引力草坪（图4，P＝0.022）。

和地面反作用力峰值相似，受试者在低牵引力草坪上完成侧切动作的制动阶段水平地面反作用力加载率显著小于中牵引力草坪（P＝0.012）和高牵引力草坪（P＝0.001）；高牵引力草坪产生的垂直地面反作用力加载率显著大于中牵引力草坪（图5，P＝0.004）。

图4 本研究不同牵引力草坪上侧切制动阶段地面反作用力峰值比较示意图Figure 4.Peak Ground Reaction Force during Braking Phase of Cutting Movement in Different Traction Conditions

侧切动作地面反作用力第一峰值是足落地时与地面高速碰撞造成的，因此，这一时刻往往最容易发生损伤。本研究结果表明，受试者完成侧切动作着地后地面反作用力第一峰值时刻的垂直地面反作用力（P＝0.014）、水平向后地面反作用力（P＝0.001）、膝关节屈伸力矩（P＝0.007）、膝关节内收力矩（P＝0.02）、膝关节外展角（P＝0.004）均受草坪牵引力大小的影响，而峰值时刻的其他参数则在3种牵引力草坪条件下无显著差异（表2）。

图5 本研究不同牵引力草坪上侧切制动阶段地面反作用力加载率比较示意图Figure 5.Loading Rate of Ground Reaction Force during Braking Phase of Cutting Movement in Different Traction Conditions

表2 本研究不同交互面牵引力作用下地面反作用力首次峰值时刻的生物力学指标一览表Table 2 Biomechanical Characteristics at First Peak GRF Moment in Different Traction Conditions（n＝13）

草坪产生的不同牵引力也显著影响侧切动作蹬伸阶段水平和垂直地面反作用力峰值，其中，高牵引力草坪的水平面合力显著大于低牵引力草坪（P＝0.001），中牵引力草坪和高牵引力草坪在垂直方向力上显著大于低牵引力草坪（表3，P＝0.005，P＜0.001）。

表3 本研究不同牵引力草坪上侧切蹬伸阶段水平面和垂直方向地面反作用力峰值一览表Table 3 Peak GRF Components in Horizontal Plane and Vertical Directions during Stretching Phase of Cutting Movement in Different Traction Conditions（BW，n＝13）

3.2.2 直线起动动作结果

起动过程的重心加速度在低牵引力草坪（12.56±1.94m／s2）、中牵引力草坪（12.40±2.30m／s2）和高牵引力草坪（12.91±2.66m／s2）上无显著差异（P＝0.426）。

4 分析与讨论

4.1 牵引力测试分析讨论

Nigg［17］认为，机械测试重复性强，可以有效的定量交互面的差别。本研究中，机械测试是为了探究改变人造草坪的填充颗粒密度对交互面产生的牵引力效果的影响，同时，定性区别3种草坪表面，为后续的生物力学测试做准备。

在国际足联和我国人造草坪的标准中，实验室测试只选用了无填充颗粒的草坪进行测试，而在真实的场地环境中，大多人造草坪场地都需要填充橡胶颗粒。本研究发现，填充颗粒与未填充颗粒的交互面牵引力作用是不同的，因此，现阶段草坪的实验室机械测试无法和真实的场地情况相符。本研究结果显示，随着人造草坪中填充颗粒密度的增加，球鞋与人造草坪交互面产生的牵引力明显增大。草坪中颗粒填充的密度小，会使颗粒之间产生不稳定的松动状态，影响橡胶颗粒间的相互作用，进而影响其提供的牵引力效果。另一方面，鞋钉插入到颗粒中的状态会影响牵引特性，当鞋钉与草坪中填充颗粒接触不完全或较少时也可能引起一种不稳定的状态，导致牵引力降低。

4.2 不同牵引力草坪对运动损伤的影响

着地制动时人体与地面的碰撞力过大往往是造成下肢损伤的重要原因。本研究发现，高牵引力草坪会造成运动员侧切制动阶段水平和垂直地面反作用力峰值均显著提高，这一结果与Gehring［9］针对于鞋钉改变的研究结果一致。产生这一结果的原因应与机械测试中填充密度的增加造成牵引力增加的原理相同，橡胶颗粒之间的相互作用和鞋钉的插入状态都可能影响到地面反作用力不同方向上的峰值。本研究中侧切制动阶段的地面反作用力峰值在低牵引力场地和中牵引力场地间并未出现显著差异，这可能说明只有较高的交互面牵引力才能对人体完成动作时的地面反作用力产生影响。

力的加载率是一项反应力和时间关系的指标，是造成损伤的一个关键因素［19］。人体的神经控制需要一定的时间才能向关节周围的肌肉提供反馈，高的加载率意味着地面反作用力在相对较短的时间达到较大的值，而此时运动员可能无法通过神经控制来改变其动作策略以适应不同的场地情况，从而造成关节的载荷增大，引起损伤。本研究计算得到的地面反作用力加载率为侧切动作触地时刻到首次峰值时刻的平均加载率，即这一阶段力-时间曲线的斜率值，该指标可以从整体层面反映地面反作用力变化的剧烈程度。研究发现，高牵引力草坪在水平面和垂直方向力的加载率均高于中牵引力草坪，并且在水平面高于低牵引力草坪，说明随着交互面牵引力的增加地面反作用力在单位时间内会产生更大的力值，可能会带来潜在的损伤风险。

膝关节ACL张力最大值时刻出现在足部触地后第一次地面反作用力峰值时刻，这个时刻通常发生在支撑阶段的前50ms，这段时期也被定义为冲击时期［5］。第一次地面反作用力峰值时刻前、后方向和垂直方向的地面反作用力、膝关节的角度和力矩都是与ACL负荷相关的指标。总结近几年研究中关于ACL损伤的机制为，小的膝关节屈角、较大的伸膝力矩、外展角度和外展力矩，以及较大的垂直和向后地面反作用力［3，14］。本研究结果表明，随着交互面牵引力的增大，受试者受到更大的地面向后反作用力和膝伸力矩、以及较小的膝内收力矩和外展角度。

本研究中，中牵引力场地上的垂直地面反作用力小于其他两种场地，这可能是因为此种密度下填充的颗粒提高了场地垂直方向上的缓冲性能。因此，今后的研究可进一步测试填充颗粒密度对草坪缓冲性能的影响。地面水平向后反作用力与机械测试中交互面牵引力产生的效果相同，填充密度大的草坪提高了地面水平向后反作用力，而较大的水平向后反作用力使得运动员在制动过程中需要更大的膝伸力矩。

值得注意的是，本研究中地面反作用力峰值时刻，膝关节的内收力矩并没有同预期随着交互面牵引力的增大而增大。Dowling［8］的研究发现，在侧切过程中随着交互面牵引力的增加，膝关节在冠状面上会从内收力矩表现为更多的外展力矩。生物力学分析、视频研究、仿真和人体标本研究的结果均表明，膝关节外展力矩增加会造成ACL损伤的风险增加。例如，Hewett［10］发现女性运动员中膝外展力矩大者更容易引起ACL损伤，同时，膝关节外展力矩比膝屈角度能更好的预测ACL损伤。本研究的结果只发现地面反作用力峰值时刻膝关节内收力矩有减小的趋势，但并未出现膝关节外展力矩，这可能与牵引力作用还不够明显有关。另一方面，本研究发现随着牵引力的增大，膝关节的外展角度也呈现降低的趋势，这可能是由于高牵引力的场地表面更好的固定了足部，而减少了下肢在冠状面上的相对移动，或者又与运动员针对于高牵引力草坪的自我保护有关，而小的外展角度也在一定程度上使该时刻下膝关节不需要过大的内收力矩来使膝关节完成内收的过程。

综上所述，本研究的结果说明，随着交互面牵引力作用的增大，可能导致膝关节ACL损伤的风险因素为地面反作用力峰值时刻较大的水平向后地面反作用力和伸膝力矩，而另一方面膝关节外展角度的减小又可能会降低这种损伤的风险。本研究尚不能确定随着交互面牵引力作用的增大，膝关节是否会从内收力矩的减小逐渐向外展力矩的增大过渡，从而导致损伤风险的增高。由于助跑速度的选择，本研究只涉及到常速助跑时由于草坪牵引力增大而带来的ACL损伤风险，这种损伤的原因多集中在地面反作用力、关节、韧带相应负荷的增大。需要注意的是，当运动员助跑速度增大时，低牵引力草坪无法提供足够的制动而带来由于支撑不稳定造成的扭伤、摔伤等损伤类型也是可能存在的情况。后续的研究可以选取多种更具代表性的助跑速度，并在机械测试中尝试更多的组合来获得不同的牵引力作用，进而选取代表性更强、覆盖范围更广的牵引力交互面来进行生物力学测试，深化不同速度、不同牵引力草坪对于运动损伤的影响。

4.3 不同牵引力草坪对运动表现的影响

运动表现可以通过在场地上的直线跑和曲线跑的用时和自我感知水平来衡量［20，21］，本研究由于人造草坪铺设的限制，也希望结合运动学和动力学多方面指标进行精确评价，因此，选择通过捕捉运动员侧切和起动动作的生物力学参数来衡量运动表现。

人体重心加速度的负值越大，表明重心速度下降的越快，即该草坪条件下运动员可以获得良好的制动效果，这与其在训练和比赛时的运动表现密切相关。通过分析侧切制动阶段的重心加速度，本研究发现，相对较高的场地牵引力可以使运动员更有效的减速。良好的制动能力是急停和变向等动作的基础，有助于运动员为后续的动作和情况提供更多的准备和预判时间。

蹬地阶段高的水平地面反作用力可以提供更多的动态推进力，是评估牵引力特性和运动表现的良好指标［15］。本研究发现，在侧切蹬伸阶段高牵引力场地水平面合力显著大于低牵引力场地，说明交互面牵引力的增加可以为蹬伸提供更多的推进力，也就是经常被提及的蹬地过程中抓地效果好，为运动员提供更好的自我感知和运动速度。

有研究表明，地面反作用力不太适用于在直线加速过程中区别不同交互面的情况，而比较适用于侧切或者变向等类型的动作［21］，因此，本研究在研究直线起动过程中只通过运动学指标来评价运动表现。本研究发现，随着交互面牵引力的增加，运动员在起动过程中身体重心的加速度并未表现出明显差异，这表明即使人造草坪的牵引力有很大的不同，运动员仍然能够适应在不同草坪条件下完成起动动作。因此，如果运动员在相对较低的牵引力草坪上运动，其关节负荷可能会减少，降低损伤风险，另一方面还能保持恒定的加速起动表现。这不一定适用于所有动作，同时，牵引力也可能存在一个拐点，低于这个数值时交互面就会无法提供足够的牵引力来维持人体的制动和加速能力，降低运动表现。今后的研究可以寻找这个牵引力拐点，以此确定交互面牵引力作用的合适范围。

5 结论与建议

人造草坪中颗粒密度的变化对鞋与人造草坪交互面的牵引力有明显影响，随着颗粒密度的增加，牵引力增大。在常速助跑的情况下，交互面牵引力的增大会为侧切提供良好的制动能力和蹬伸推进力，但不会影响直线起动的运动表现；交互面牵引力的增大会引起侧切制动阶段地面反作用力相关指标的增大，增加损伤风险；交互面牵引力的增大也会造成地面反作用力峰值时刻膝关节ACL损伤敏感指标的改变，增加了ACL损伤的风险。

本研究建议人造草坪制造商应结合牵引力特性来确定颗粒密度的标准范围。此范围应在既保证运动员运动表现未出现明显降低的同时，又将牵引力最小化，以减小人体承受的负荷。

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